土的工程性质、土方量计算、降低地下水位.ppt

第一章 土方工程,第一节 概述,一、土方工程的分类、特点 1、施工分类 主要：场地平整；坑、槽开挖；土方填筑。辅助：施工排、降水；土壁支撑。2、施工特点（1）量大面广；（2）劳动强度大，工期长；（3）施工条件复杂，受地质、水文、气侯影响大，不确定因素多。,3、施工设计应注意（1）摸清施工条件，选择合理的施工方案与机械；（2）合理调配土方，使总施工量最少；（3）合理组织机械施工，以发挥最高效率；（4）作好道路、排水、降水、土壁支撑等准备及辅助工作；（5）合理安排施工计划，避开冬、雨季施工；（6）制定合理可行的措施，保证工程质量和安全。,二、土的工程分类,按开挖的难易程度分为八类一类土（松软土）、二类土（普通土)三类土（坚土）、四类土（砂砾坚土）机械或人工直接开挖五类土（软石）、六类土（次坚石）七类土（坚石）、八类土（特坚石）爆破开挖,三、土的工程性质,1、土的可松性：自然状态下的土经开挖后，体积因松散而增加，以后虽经回填压实，仍不能恢复。最初可松性系数 KS=V2/V1 1.081.5 最后可松性系数 KS=V3/V1 1.011.3 V1 土在自然状态下的体积。V2 土经开挖后松散状态下的体积。V3 土经回填压实后的体积。用途：开挖、运输、存放，挖土回填，留回填松土,2、土的渗透性,土体被水透过的性质，用渗透系数K表示。K的意义：水力坡度（I=h/L）为1时，单位时间内水穿透土体的速度（V=KI）,K的单位：m/d。粘土 0.1，粗砂5075，卵石100200 用途：降低水位方法，回填。,3、土的密度：天然密度：一般=1620 KN/m3 干密度 d：是检测填土密实程度的指标。（105，烘干34h）d=Ms/V4、土的含水量：天然含水量 W=（M-Ms）/Ms 边坡稳定 最佳含水量可使填土获得最大密实度的含水量（手握经验确定）。,第二节 土方量计算与调配,一、基坑、基槽、路堤土方量计算1、基坑土方量：按拟柱体法,V=(F下+4F中+F上)H/6,F下,F上,Fi,2、基槽（路堤）土方量：,沿长度方向分段计算Vi，再 V=Vi断面尺寸不变的槽段：Vi=FiLi断面尺寸变化的槽段：Vi=(Fi1+4Fi0+Fi2)Li/6 槽段长Li：外墙槽底中中，内墙槽底净长,二、场地平整土方量 方格网法、累高法平均断面法,（一）确定场地设计标高考虑的因素：(1)满足生产工艺和运输的要求；(2)尽量利用地形，减少挖填方数量；(3)争取在场区内挖填平衡，降低运输费;(4)有一定泄水坡度，满足排水要求。场地设计标高一般在设计文件上规定，如无规定：(1)小型场地挖填平衡法(2)大型场地最佳平面设计法（用最小二乘法，使挖填平衡且总土方量最小）,1、初步标高（按挖填平衡）,方法：将场地划分为每格边长1040m的方格网，找出每个方格各个角点的地面标高（实测法、等高线插入法）。,则场地初步标高：H0=（H11+H12+H21+H22）/4NH11、H12、H21、H22 一个方格各角点的自然地面标高；N 方格个数。或：H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4NH1一个方格所仅有角点的标高；H2、H3、H4分别为两个、三个、四个方格共用角点的标高。,2、场地设计标高的调整 按泄水坡度、土的可松性、就近借弃土等调整。按泄水坡度调整各角点设计标高：,H0,(2)双向排水时，各方格角点设计标高为：,H11,H12,H21,Hn=H0 L i,Hn=H0 Lx ix L yi y,(1)单向排水时，各方格角点设计标高为:,Hn,【例】某建筑场地方格网、地面标高如图,格边长a=20m。泄水坡度ix=2，iy=3，不考虑土的可松性的影响，确定方格各角点的设计标高。,解：（1）初步设计标高（场地平均标高）H0=（H1+2H2+3H3+4H4）/4N=70.09+71.43+69.10+70.70+2（70.40+70.95+69.71+）+4（70.17+70.70+69.81+70.38）/（49）=70.29（m）,70.09,70.09,（2）按泄水坡度调整设计标高：,Hn=H0 Lx ix L yi y；H1=70.29302+303=70.32,70.32,70.36,70.40,70.44,70.26,70.30,70.34,70.38,70.20,70.24,H070.29,H2=70.29102+303=70.36,H3=70.29+102+303=70.40,其它见图,（二）场地土方量计算,1、计算各方格角点的施工高度 hn：hn=HnHn 即：hn=该角点的设计标高自然地面标高（m）,h1=70.3270.09=0.23（m）；正值为填方高度。,+0.23,-0.04,-0.55,-0.99,+0.55,+0.13,-0.36,-0.84,+0.83,h2=70.3670.40=0.04（m）；,负值为挖方高度,2、确定零线（挖填分界线）插入法、比例法找零点零点连线,0,0,3、场地土方量的计算：分别按方格求出挖、填方量，再求整个场地总挖方量、总填方量（1）四角棱柱体法1）全挖、全填格：V挖（填）=a2(h1+h2+h3+h4)/4 h1 h4 方格角点施工高度绝对值 V挖（填）挖方或填方的体积。2）部分挖、部分填格：V挖（填）=a2 h挖（填）2/4 h h挖（填）方格角点挖或填施工高度绝对值之和；h 方格四个角点施工高度绝对值总和。（2）四方棱柱体平均高度法（略）（3）三角棱柱体法（略）均见教材,作 业,（1）某场地如图所示,试按挖填平衡的原则确定场地平整的设计标高H0,然后算出方格角点的施工高度并绘出零线,分别计算挖方量和填方量（a=30m)。（2）当iy=2,ix=3,试确定方格角点的设计标高。,三、土方的调配：,在施工区域内，挖方、填方或借、弃土的综合协调。1、要求：总运输量最小；土方施工成本最低。2、步骤：（1）找出零线，画出挖方区、填方区；（2）划分调配区,B1,B2,B3,（3）找各挖、填方区间的平均运距（即土方重心间的距离）可近似以几何形心代替土方体积重心,划分调配区示例：,（4）列挖、填方平衡及运距表,（5）调配 方法：最小元素法就近调配。顺序：先从运距小的开 始，使其土方量最大。,n 列,m 行,400,500,500,300,100,100,结果：所得运输量较小，但不一定是最优方案。（总运输量97000m3-m),3、调配方案的优化（线性规划中表上作业法）（1）确定初步调配方案（如上）（2）判别是否最优方案(矩形法判别)表格内有土方量的运距留下,其余删除.运用对角线相加相等的原则,求其余空格数值.,表格中出现负值,故该方案不是最优方案,应对初始方案进行调整。,（3）方案调整 调整方法：闭回路法。调整顺序：从负值最大的格开始。,1)找闭回路 沿水平或垂直方向前进，遇适当的有数字的格转弯，直至回到出发点。,2）调整调配值 从空格出发，在奇数次转角点的数字中，挑最小的土方数调到空格中。且将其它奇数次转角的土方数都减、偶数次转角的土方数都加这个土方量，以保持挖填平衡。,X12,(100),(0),(400),(400),（2）判别是否最优方案,若检验数仍有负值，则重复以上步骤，直到全部正值而得到最优解。,由于所有的检验数 均为正值，故该方案已为最优方案。,表格内有土方量的运距留下,其余删除.运用对角线相加相等的原则,求其余空格数值.,故最优方案为：,（5）求出最优方案的总运输量：40050100705004040060100704004094000m3-m。,（4）绘出调配图：（包括调运的流向、数量、运距）。,作业,已知某场地的挖方区为W1、W2、W3，填方区为T1、T2、T3，其挖填方量，每一调配区的平均运距如表所示，试用“表上作业法”求最优调配方案。,第三节 土方开挖的辅助工作,一、降低地下水位（一）降水目的 1、防止涌水、冒砂，保证在较干燥的状态下施工；2、防止滑坡、塌方、坑底隆起；3、减少坑壁支护结构的水平荷载。,（二）降排水方法,1集水井法（明排水法）用于土质较好、水量不大、基坑可扩大者 挖至地下水位时，挖排水沟设集水井抽水再挖土、沟、井,要求：（1）排水沟：沿基坑底四周设置，底宽300mm，沟底低于坑底500mm，坡度1。（2）集水井：沿基坑底边角设置，间距2040m，直径0.60.8m，井底低于坑底12m。长期用，有护壁和碎石压底。（3）水泵：离心泵、潜水泵、污水泵,（一）普通明沟排水法,（二）分层明沟排水法,流砂现象 1动水压力地下水在渗流过程中受到土颗粒的阻力，使水流对土颗粒产生的一种压力。动水压力的大小与水力坡度成正比，方向同渗流方向。GDIw=(h/L)w 2流砂原因,当 动水压力大于或等于土的浸水重度（GD）时，土粒被水流带到基坑内。主要发生在细砂、粉砂、轻亚粘土、淤泥中。,3流砂的防治减小动水压力（板桩等增加L）；平衡动水压力（抛石块、水下开挖）；改变动水压力的方向（井点降水）。,2井点降水法（1）特点 效果明显，使土壁稳定、避免流砂、防止隆起、方便施工；可能引起周围地面和建筑物沉降。（2）井点类型及适用范围,轻型井点降水全貌图,喷射井点,井点管,电极,60V的直流电源,电渗井点示意图,电渗井点是井点管作阴极，在其内侧相应地插入钢筋或钢管做阳极，通入直流电后，在电场的作用下，使土中的水流加速向阴极渗透，流向井点管。这种方法耗电多，只在特殊情况下使用。,管井井点构造,（三）轻型井点降水1降水原理2井点设备井管：38、51，长57m（常用6m），无缝钢管，丝扣连滤管；滤管：38、51，长11.7m，开孔12,开孔率2025，包滤网；总管：内75100无缝钢管，每节4m，每隔0.8、1或1.2m有一短接口；连接管：使用透明塑料管、胶管或钢管，宜有阀门；抽水设备：真空泵（教材）真空度高，体形大、耗能多、构造复杂射流泵（常用）简单、轻小、节能隔膜泵（少用）,真空泵井点设备工作原理图,(b)射流器构造,滤管构造,3井点布置（1）平面布置单排：在沟槽上游一侧布置，每侧超出沟槽B。用于沟槽宽度B6m，降水深度5m。双排：在沟槽两侧布置，每侧超出沟槽B。用于沟槽宽度B6m，或土质不良。环状：在坑槽四周布置。用于面积较大的基坑。,单排井点平面及高程布置,环状井点平面及高程布置,（2）高程布置（图）井管埋深：H埋H1hiL。H1埋设面至坑底距离；h降水后水位线至坑底最小距离（一般可取0.51m）；i地下水降落坡度，环状1/10，线状1/4；L井管至基坑中心（环状）或另侧（线状）距离。当H埋6m时：降低埋设面；采用二级井点；改用其它井点。,4计算涌水量Q：（环状井点系统）（1）判断井型（图）按照滤管与不透水层的关系：完整井到不透水层非完整井未到不透水层.按照是否承压水层：承压井无压井,水井的分类,（2）无压完整井群井井点计算（积分解）,Q1.366K(2HS)S/(lgRlgX0)（m3/d）K土层渗透系数（m/d）；H含水层厚度（m）；S水位降低值（m）；R抽水影响半径（m），R=1.95S(HK)1/2；X0环状井点系统的假想半径（m）；当长宽比A/B5时，X0=(F/)1/2，否则分块计算涌水量再累加。F井点系统所包围的面积。,（3）无压非完整井群井系统涌水量计算（近似解）,以有效影响深度H0代替含水层厚度H用上式计算Q。H0的确定方法：,注意：1、当H0值超过H时，取H0H；2、计算R时，也应以H0代入。,（4）承压完整井,Q2.73KMS/(lgRlgX0)（m3/d)M承压含水层厚度（m）,（5）承压非完整井,Q2.73KMS/(lgRlgX0)r-井点管半径,5确定井管的数量与间距（1）单井出水量：q65d l3 K1/2（m3/d）d、l滤管直径、长度（m）；（2）最少井点数：n1.1Q/q（根）1.1备用系数。（3）最大井距：DL总管/n（m）；（4）确定井距：取井距D,（5）确定井点数：nL总管/D,D,15d,符合总管的接头间距。,例：已知某地下室基坑开挖的坑底平面尺寸为30.5m20.5m，坑底深4.0m，挖土边坡为10.5；地下水位离地面1.0m，不透水层标高为-10.00m。不透水层上面的含水层为细砂层，经扬水试验，细砂层渗透系数K=15m/d。地下水为无压水。采用轻型井点降低地下水位，井管长6.0m，滤管长1.0m，井点管与边坡距离为0.8m，井点管露出地面0.2m。抽水影响半径公式R=1.95s，总涌水量公式Q=1.366K(2H-s)s/(lgR-lgx0)。试进行井点系统的布置和设计。,解：1、轻型井点布置 为增加井点系统的降水深度，将总管埋设在-0.5m标高处，先挖0.5m深的沟槽，然后在槽底敷设总管。经计算基坑上口的平面尺寸为24*34m；总管距基坑边缘1.0m，故环行总管的总长度为L=（26+36）*2=124m 基坑中心要求降水深度为s=4.0-1.0+0.5=3.5m,采用一级轻型井点，井点管埋深（不包括滤管）为H=H1+h+Il=3.5+0.5+1/10*26/2=5.3M(短边方向满足即可)井点管长6m，滤管长1m，井点管露出总管敷设面0.2m，埋入土中5.8m。即实际埋入深度H=5.8m5.3m，符合埋深要求。基坑中心的实际降水深度为4.0m3.5m。滤管底部距不透水层的距离=10-（7+0.3）=2.7m。,2、基坑涌水量计算：基坑的长宽比小于5，可按无压非完整井环状井点系统计算涌水量，即 Q=1.366K(2H-s)s/(lgR-lgx0)由S/=6.0+0.3-1.0=5.3M,S/(S/+1)=5.3/(5.3+1)=0.84,查表得H0=1.85*（S/+1）=11.66M 9.0m(含水层厚度)，故取H0=9.0M 抽水影响半径R=(m),环状井点系统假想半径(m)故,q=,（m3/d),3.计算井点管数量和井点管距离 井点管数量 n=1.1Q/q=1.1*1570/25.18=69 封闭的环形总管的总长度为124m，考虑施工机械进出基坑方便，可在基坑地下水下游一侧不封闭。留出6m宽的通道，可取总管总长度为118m，则D=L/n=118/69=1.71m 确定井点管数量为69根、井点管间距为1.7m。,6井点管的埋设与使用（1）埋设方法：水冲法：水枪、井管自身（高压水）钻孔法：正循环钻、反循环钻、冲击钻振动水冲法：,（2）使用要求：开挖前25天开泵降水；连续抽水不间断（水量先大后小，先混后清），防止堵塞。,3）注意问题：1)真空度0.60.7大气压2)死管：检查、变活3)设观测井检查水位下降情况4）拔除井管：基坑回填后；卷扬机、支架；516.5m上拔力1.21.8t,